煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探的施工技術(shù)研究

摘要：河南省資源環(huán)境調(diào)查一院成功中標(biāo)陽泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司的五礦花河峪瓦斯管路鉆孔工程項目。該項目旨在利用新型鉆井設(shè)備施工瓦斯管路鉆孔，以實現(xiàn)煤層瓦斯泄壓抽采，保障采煤安全。詳細(xì)闡述了施工工藝流程，包括引導(dǎo)孔與擴孔施工的關(guān)鍵技術(shù)、鉆具組合與鉆進(jìn)參數(shù)的選定、鉆井液材料的選用與性能控制，以及下套管與固井技術(shù)。研究成果為煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：煤礦瓦斯 大口徑排放井 鉆探技術(shù) 瓦斯抽采 安全生產(chǎn)

Research on Construction Technology of Drilling Large-Diameter Gas Discharge Well in Coal Mine

TIAN Hequan GAO Guanqiang^*

Institute of Resources and Environmental Survey of Henan Province， Zhengzhou， He’nan Province， 451150 China

Abstract： The First Institute of Resource and Environmental Survey of Henan Province has successfully won the bid for the drilling project of Wukuang Huaheyu Gas Pipeline of Yangquan Xinyu Geotechnical Engineering Co.， Ltd. This project aims to use new drilling equipment to construct gas pipeline drilling， so as to achieve seam gas pressure relief and extraction， and ensure coal mining safety. This paper in detail elaborates the construction process flow， including the key technology of guide hole and expansion hole construction， selection of drilling tool combination and drilling parameters， the selection and performance control of drilling fluid materials， and the technology of casing and cementing. The research results provide a technical reference for the drilling of large-diameter gas discharge wells in coal mines.

Key Words： Mine gas; Large-diameter discharge well; Drilling technology; Gas extraction; Safe production

在當(dāng)今煤炭資源的深度開發(fā)與高效利用中，煤礦瓦斯問題如同一道難以逾越的坎日益凸顯其復(fù)雜性與嚴(yán)峻性，成為煤礦安全生產(chǎn)的一大瓶頸。瓦斯作為煤礦開采過程中的伴生氣體，其積聚與突出不僅威脅著礦工的生命安全，也嚴(yán)重影響著煤礦的生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益。為解決這一棘手問題，煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探技術(shù)應(yīng)運而生，為煤礦瓦斯治理開辟了新的路徑。該技術(shù)憑借其獨特的施工瓦斯管路鉆孔方式，能夠有效實現(xiàn)煤層瓦斯的泄壓與抽采，從源頭上降低瓦斯?jié)舛?，為采煤作業(yè)筑起一道堅實的安全屏障。本文將緊密結(jié)合陽泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司的五礦花河峪瓦斯管路鉆孔工程項目實例，深入剖析煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探的施工技術(shù)要點，力求為相關(guān)領(lǐng)域的工程實踐提供科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膮⒖寂c借鑒。

1 項目概況與施工準(zhǔn)備

1.1 項目概況

本項目由河南省資源環(huán)境調(diào)查一院于2020年4月26日通過投標(biāo)，從陽泉新宇巖土工程有限責(zé)任公司承接，項目名稱為五礦花河峪瓦斯管路鉆孔工程。項目旨在利用新型鉆井設(shè)備施工大口徑瓦斯管路鉆孔，以實現(xiàn)陽煤集團(tuán)五礦煤層瓦斯的有效泄壓抽采，保障采煤作業(yè)安全。項目位于山西省陽泉市平定縣冶西鎮(zhèn)陽煤五礦花河峪風(fēng)井工業(yè)廣場內(nèi)，規(guī)劃布置2口大口徑瓦斯抽采管路鉆孔，孔間距約7 m。

施工區(qū)域地處太行山脈北段西側(cè)，地勢北高南低。地質(zhì)條件復(fù)雜，基巖半裸露，出露地層主要為二疊系上、下石盒子組，局部有石炭系和奧陶系地層。其中，奧陶系峰峰組巖性堅硬，可鉆性差；石炭系本溪組和太原組含煤建造，需要防垮、防漏；二疊系山西組和下、上石盒子組地層需要注意泥巖掉塊和煤層防塌；第四系地層則需要防止漏失和坍塌^[1]。

1.2施工準(zhǔn)備

在設(shè)備準(zhǔn)備方面，選用了SPS-2000鉆機用于引導(dǎo)孔施工、BMC-500反井鉆機用于擴孔，GYD-20L全液壓多功能鉆機具備雙重功能。同時，配備了注漿泵、鉆井泵、泥漿泵、發(fā)電機、無線隨鉆測斜儀等設(shè)備，以及井架、游動滑車、大鉤、絞車等輔助設(shè)備，為施工提供全方位保障^[2]。

技術(shù)準(zhǔn)備工作方面，編制了詳細(xì)的施工設(shè)計方案，明確了施工工藝流程、鉆具組合、鉆進(jìn)參數(shù)等。針對引導(dǎo)孔復(fù)合鉆進(jìn)，正常鉆進(jìn)時，密度控制在1.03～1.6 g/cm3，鉆壓40～60 kN，轉(zhuǎn)速43～103 r/min，排量20～25 L/s，泵壓4～8 MPa；糾斜鉆進(jìn)時，參數(shù)相應(yīng)調(diào)整。鉆井液選用膨潤土、羧甲基纖維素（Carboxymethyl cellulose，CMC）、聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM）等材料，采用低固相體系，嚴(yán)格控制性能指標(biāo)，如密度1.03～1.12 g/cm3、[A1]"黏度30～35 s、失水小于8 mL等，以保證井壁穩(wěn)定和巖屑攜帶。

2鉆探施工工藝與關(guān)鍵技術(shù)

2.1施工工藝流程

引導(dǎo)孔施工在煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探工程中占據(jù)基礎(chǔ)性地位，是為后續(xù)擴孔作業(yè)創(chuàng)造良好條件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以1#鉆孔為例，開孔時，施工團(tuán)隊嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計方案，使用SPS-2000鉆機，采用輕壓吊打方式，控制初始鉆壓20～30 kN、轉(zhuǎn)速30～40 r/min，確保鉆頭平穩(wěn)接觸地層。技術(shù)人員通過鉆機傳感器實時監(jiān)測各項參數(shù)，每5 min記錄一次，保證開孔精度。鉆進(jìn)過程中，采用無線隨鉆跟蹤測斜技術(shù)實時監(jiān)測井斜角度和方位角，一旦井斜超限，如超過0.5°，系統(tǒng)會立即警報。施工人員則根據(jù)地層情況調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，例如：降低鉆壓至40～50 kN，調(diào)整轉(zhuǎn)速為50～70 r/min，以糾正井斜^[3]。1#鉆孔在100～150 m深度區(qū)間遇巖石硬度變化，通過及時調(diào)整參數(shù)，成功控制井斜。

1#鉆孔引導(dǎo)孔施工完成后，采用三級擴孔工藝。（1）一級擴孔使用Φ[A2]"600 mm擴孔鉆頭，搭配穩(wěn)定鉆桿、普通鉆桿和驅(qū)動馬達(dá)，系統(tǒng)壓力控制在12～15 MPa、轉(zhuǎn)速6～8 rpm、給進(jìn)速度0.1～0.2 m/min。遇硬巖（如砂巖）時，壓力提升至18～20 MPa，轉(zhuǎn)速降低至5～6 rpm。一級擴孔連續(xù)作業(yè)11 d，成功反拉鉆進(jìn)497.6 m。（2）二級擴孔更換為Φ940 mm擴孔鉆頭，系統(tǒng)壓力設(shè)定15～17 MPa、轉(zhuǎn)速7～9 rpm、給進(jìn)速度0.15～0.25 m/min。遇硬巖（如石灰?guī)r）時，壓力提升至20～21 MPa，轉(zhuǎn)速調(diào)整為6～7 rpm，實際擴孔鉆進(jìn)時間為15 d。（3）三級擴孔采用Φ1 400 mm擴孔鉆頭，系統(tǒng)壓力控制在16～18 MPa、轉(zhuǎn)速8～10 rpm、給進(jìn)速度0.2～0.3 m/min。遇軟巖（如泥巖）時，壓力降低至14～16 MPa，轉(zhuǎn)速提高至10～12 rpm，歷時15[A3]" d完成擴孔^[4]。

2#鉆孔引導(dǎo)孔施工完成后，直接進(jìn)行一級擴孔（如圖1所示）?？讖綇?em>Φ215.9 mm擴大至Φ1 200 mm，采用GYD-20L全液壓頂驅(qū)鉆機，鉆具組合為“Φ1 200 mm擴孔鉆頭+Φ159 mm鉆鋌+Φ127 mm鉆桿”，系統(tǒng)壓力設(shè)定15～1 8MPa、轉(zhuǎn)速7～9 rpm、給進(jìn)速度0.15～0.25 m/min。由于一次性擴孔孔徑大，對設(shè)備考驗大，施工人員密切監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，每10 min檢查一次溫度和壓力數(shù)據(jù)。當(dāng)設(shè)備扭矩接近極限時，及時調(diào)整參數(shù)，降低給進(jìn)速度至0.1～0.15 m/min，適當(dāng)增加系統(tǒng)壓力至18～20 MPa，擴孔歷時25 d成功完成。

2.2鉆具組合與鉆進(jìn)參數(shù)

引導(dǎo)孔復(fù)合鉆進(jìn)鉆具組合為“Φ215.9 mm鉆頭+Φ159 mm單彎螺桿+Φ212 mm扶正器1個+Φ159 mm定向接頭+Φ159 mm無磁鉆鋌+Φ159 mm鉆鋌×10根+Φ127 mm鉆桿+Φ108 mm方鉆桿”，該組合根據(jù)引導(dǎo)孔施工要求設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制井眼軌跡和減少井斜。

1#鉆孔，一級擴孔鉆具組合為“Φ600 mm擴孔鉆頭+穩(wěn)定鉆桿+普通鉆桿+驅(qū)動馬達(dá)”，二級擴孔為“Φ940 mm擴孔鉆頭+升級后的穩(wěn)定鉆桿+普通鉆桿+驅(qū)動馬達(dá)”，三級擴孔為”Φ1 400 mm擴孔鉆頭+更高標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定鉆桿+普通鉆桿+優(yōu)化后的驅(qū)動馬達(dá)”，各級擴孔鉆具均根據(jù)施工要求進(jìn)行匹配和升級。

2#鉆孔，擴孔鉆具組合為”Φ1 200 mm擴孔鉆頭+Φ159 mm鉆鋌+Φ127 mm鉆桿”，針對一次性擴孔至1 200 mm的要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

引導(dǎo)孔正常復(fù)合鉆進(jìn)時，密度控制在1.03～.6g/cm3，鉆壓40～60 kN，轉(zhuǎn)速43～103 r/min，排量20～25 L/s，泵壓4～8 MPa；糾斜鉆進(jìn)時，調(diào)整鉆壓為20～40 kN、轉(zhuǎn)速為43～64 r/min、排量為15～20L/s、泵壓為3～6MPa，以保證鉆井液正常循環(huán)和鉆頭冷卻，同時減少井斜^[5]。

2.3鉆井液材料與性能

引導(dǎo)孔鉆井液的核心材料包括膨潤土和CMC。膨潤土作為鉆井液的關(guān)鍵組分，其加量控制在50～80 kg范圍內(nèi)，用以增強鉆井液的粘度和切力，從而提升其懸浮和攜帶巖屑的能力。CMC則發(fā)揮著降濾失和改善流變性的雙重作用，通過在井壁表面形成致密濾餅，有效減少鉆井液失水，防止地層坍塌，并且調(diào)節(jié)鉆井液的流動性和穩(wěn)定性。在引導(dǎo)孔鉆井液中，CMC的加量精確設(shè)定為1.5%。

進(jìn)入山西組地層前，鉆井液采用低固相體系，其性能指標(biāo)經(jīng)過嚴(yán)格把控：密度維持在1.03～1.12 g/cm3，以確保井壁穩(wěn)定；馬氏漏斗黏度控制在30～35 s，既保證巖屑攜帶效率，又避免影響泵送性能；API失水量嚴(yán)格限制在8 mL以下，以減少鉆井液向地層的滲透，防止井壁失穩(wěn)。這些指標(biāo)通過密度計、馬氏漏斗黏度計、失水測定儀等設(shè)備進(jìn)行定期檢測，每2 h測量密度，每4 h檢測失水，確保鉆井液性始終符合施工要求。

2.4 下套管與固井技術(shù)

針對1#鉆孔的下套管作業(yè)，考慮到套管重量和施工現(xiàn)場安全，最終采用井架起吊方式。井架搭建過程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對垂直度和穩(wěn)定性進(jìn)行多次檢查調(diào)整，并且通過專業(yè)設(shè)備測試承載能力，確保安全。

下套管采用穿孔起吊法，管口上端0.6 m處對稱切割φ230 mm圓孔，穿杠規(guī)格為φ178～φ213 mm短鉆鋌，鋼絲繩連接吊車大鉤進(jìn)行起吊。起吊過程中，每起吊5根套管檢查一次鋼絲繩磨損情況，控制起吊速度在0.1～0.2 m/s，保證平穩(wěn)。

3 結(jié)語

綜上所述，本文研究的煤礦大口徑瓦斯排放井鉆探施工技術(shù)不僅豐富了煤礦瓦斯治理的技術(shù)體系，還為煤礦安全生產(chǎn)提供了有力保障。該技術(shù)具有顯著的理論價值和實用價值，適用于各類煤礦瓦斯排放井的鉆探施工。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，相信該技術(shù)在煤礦瓦斯治理領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更加重要的作用，為煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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